RTEMS任務(wù)級(jí)別調(diào)試技術(shù)研究

1 RTEMS操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介
RTEMS，即實(shí)時(shí)多處理器系統(tǒng)(Real Time Executivefor Multiprocessor Systems)，是一個(gè)開(kāi)源的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。它最早用于美國(guó)國(guó)防系統(tǒng)，現(xiàn)在它在航空航天、軍工及民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。
從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，RTEMS是微內(nèi)核搶占式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。圖1顯示了RTEMS操作系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。圖中白色部分為RTEMS操作系統(tǒng)的硬件支持部分(Board SupportPackage)，它包括了硬件抽象代碼、硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼和操作系統(tǒng)啟動(dòng)代碼?；疑糠譃镽TEMS內(nèi)核以及系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序的API。在具體應(yīng)用場(chǎng)景中，圖中所有系統(tǒng)模塊都被編譯成一個(gè)靜態(tài)連接庫(kù)，用戶(hù)編寫(xiě)的應(yīng)用程序和RTEMS庫(kù)靜態(tài)鏈接成一個(gè)整體，形成運(yùn)行在目標(biāo)環(huán)境的鏡像文件。應(yīng)用程序只將需要的系統(tǒng)支持模塊鏈接進(jìn)來(lái)，最大程度地縮小了可執(zhí)行鏡像的大小。

此外，RTEMS十分簡(jiǎn)潔，力求實(shí)時(shí)性。它不支持虛擬內(nèi)存，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)核以及應(yīng)用程序運(yùn)行在共同的平板內(nèi)存空間之上。因此，RTEMS鏡像文件的運(yùn)行可以看作是一個(gè)大型的、處理時(shí)鐘中斷的裸板程序。

2 GDB遠(yuǎn)程調(diào)試
GDB全稱(chēng)GNU symbolic debugger。在大多數(shù)情況下，在UNIx或者Linux環(huán)境下使用GDB調(diào)試本機(jī)程序，GDB通過(guò)waitpid、ptrace等系統(tǒng)調(diào)用對(duì)被調(diào)試進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)查和控制。這種調(diào)試模式很常見(jiàn)，但它只是GDB調(diào)試的一種特殊情況：GDB本身的運(yùn)行環(huán)境和被調(diào)試程序的運(yùn)行環(huán)境恰巧是同一個(gè)。在有些情況下，被調(diào)試程序運(yùn)行環(huán)境下可能無(wú)法方便地運(yùn)行GDB，那么遠(yuǎn)程調(diào)試就會(huì)派上用場(chǎng)。
2．1 遠(yuǎn)程調(diào)試中程序的交互途徑
如圖2所示，GDB和被調(diào)試程序運(yùn)行于不同的環(huán)境中。在GDB加載了和被調(diào)試程序?qū)?yīng)的調(diào)試信息之后，用戶(hù)可以通過(guò)它對(duì)被調(diào)程序進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試。用戶(hù)向GDB下達(dá)調(diào)試命令，GDB將用戶(hù)的調(diào)試命令翻譯、打包，通過(guò)串口或者網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送至被調(diào)試程序端的GDB―SERVER。GDB―SERVER將接收到的調(diào)試命令包解包，并將其表達(dá)的調(diào)試命令實(shí)施于被調(diào)試程序。如果需要，還應(yīng)將命令執(zhí)行結(jié)果通過(guò)遠(yuǎn)程通信返回給GDB端。

2．2 GDB與GDB―SERVER
GDB和GDB―SERVER之間的數(shù)據(jù)通道上傳輸?shù)男畔⒆裱璆DB Remote Serial Protocol。它是一種簡(jiǎn)潔的、基于ASCII的協(xié)議。每一個(gè)RSP報(bào)文由ASCII符號(hào)“$”開(kāi)頭，由“#”將報(bào)文內(nèi)容和兩個(gè)字節(jié)的報(bào)文校驗(yàn)隔開(kāi)，如下所示：

接收方對(duì)報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)成功，回復(fù)ASCII字符“+”，否則回復(fù)“一”。
通過(guò)RSP傳輸?shù)拿罘N類(lèi)很多，比較常用的羅列于表1中。當(dāng)用戶(hù)使用GDB遠(yuǎn)程調(diào)試程序時(shí)，GDB將用戶(hù)的命令翻譯成若干條RSP命令的序列下達(dá)給GDB―SERVER。GDB―SERVER對(duì)命令進(jìn)行實(shí)施，并回復(fù)運(yùn)行結(jié)果。作為一個(gè)能實(shí)現(xiàn)基本調(diào)試功能的GDB―SERVER，至少需要實(shí)現(xiàn)表1中列出的命令。

2．3 GDB―SERVER與被調(diào)試程序
GDB―SERVER和被調(diào)試程序之間的交互方式就比較靈活了，在沒(méi)有虛擬內(nèi)存管理的環(huán)境中可以使用指針直接訪問(wèn)被調(diào)試程序的內(nèi)存，而在引入了嵌入式操作系統(tǒng)的環(huán)境中可以使用系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)。GDB―SERVER是GDB調(diào)試命令的實(shí)施者，依照GDB的調(diào)試基本需求，GDB―SERVER和被調(diào)試程序之間的交互方式只要能夠完成表1中列出的操作就可以了。

3 傳統(tǒng)STUB調(diào)試模式概述
GDB―STUB是嵌入在被調(diào)試程序中的小段程序，它肩負(fù)了和GDB通信并執(zhí)行GDB調(diào)試命令的重任。可以說(shuō)GDB―STUB是輕量級(jí)的GDB―SERVER。它代碼量很少，在RTEMS啟動(dòng)初始化階段，將它以軟中斷處理程序的身份嵌入到RTEMS之中，成為RTEMS的一部分。當(dāng)被調(diào)試程序運(yùn)行到這個(gè)特殊的軟中斷時(shí)，STUB程序獲得運(yùn)行的權(quán)力，和GDB進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，執(zhí)行調(diào)試命令，直到收到被調(diào)試程序繼續(xù)執(zhí)行的命令，STUB恢復(fù)被調(diào)試程序的執(zhí)行，如圖3所示。

由于它和被調(diào)試程序融為一體，所以它可以直接訪問(wèn)被調(diào)試程序的內(nèi)存地址，查詢(xún)或者修改被調(diào)試程序內(nèi)存空間的值。
此方法將RTEMS系統(tǒng)看作一個(gè)嵌入式裸板程序，可以在源碼級(jí)別對(duì)整個(gè)RTEMS系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試?？梢韵胂螅藭r(shí)GDB根本不知道被調(diào)試程序是一個(gè)操作系統(tǒng)，一旦STUB獲得了執(zhí)行機(jī)會(huì)，整個(gè)RTEMS系統(tǒng)進(jìn)入暫停狀態(tài)，無(wú)論系統(tǒng)中運(yùn)行的是應(yīng)用還是系統(tǒng)內(nèi)核本身。而調(diào)試系統(tǒng)本身遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有調(diào)試系統(tǒng)中應(yīng)用程序的需求量大，在調(diào)試應(yīng)用的時(shí)候，希望只是被調(diào)試的任務(wù)暫停，系統(tǒng)中其他任務(wù)不受我們調(diào)試行為的影響。下文將介紹RTEMS任務(wù)級(jí)別的GDB遠(yuǎn)程調(diào)試方法。